Nové zesilovače ultrakrátkých vln [1950]

Nejnápadnějším vývojovým znakem radiotechniky v posledních letech je tendence k vyšším kmitočtům. Zatím co před dvaceti lety byla praktickou mezí vlnová délka 100m, ukázal předválečný vývoj televise a zejména radarová technika a impulsové sdělovací soustavy za války a po ní rostoucí význam vln decimetrových a centimetrových. Následující stať pojednává o způsobech, jimiž byly nahrazeny klasické methody zesilování, které nevyhovují v oblasti ultrakrátkých vln.

Obraz 3. Pokusná vlnová elektronka. V protáhlé, nezvykle dlouhé části se odbývá vlastní činnosti elektronky.

V technice ultrakrátkých vln nad 100 Mc/s nevystačíme s obvyklými zesilovacími způsoby, použitelnými u krátkých a středních vln. Setrvačnost elektronů, které při nízkých kmitočtech nedbáme, se zde začíná uplatňovat, a při velmi vysokých kmitočtech se elektrony při průletu mezi elektrodami běžné elektronky tak zpožďují ve fázi, že nastane úplné ochromení zesilovacího účinku. Technikové však využili této vlastnosti elektronů k zesilování a buzení velmi vysokých kmitočtů jinými methodami, z nichž nejbouřlivější vývoj prodělaly několikeré druhy elektronek s rychlostní a hustotní modulací elektronového svazku, klystrony.

O jejich podstatě jsme četli na př. v č. 9-12/1945 a v č. 8/1949 t. l. Vývoj se však na těchto výsledcích nezastavil. Už za války, a ještě rychleji po ní vznikaly nové zesilovací způsoby, které měly obejít nevýhody klystronů.

Obraz 1. Schematický průřez vlnovou elektronkou. An - kathoda. K - sběrací elektroda, zachycující elektrony. E - vstupní vlnovod. A - výstupní vlnovod. Sp - cívka pro soustředění elektronového paprsku. Šv - šroubovice, po níž se šíří elektromagnetická vlna. Obraz 2. Elektrické a magnetické pole uvnitř solenoidu.

U obyčejného klystronu je totiž svazek elektronů promudolován poměrně slabě, protože st modulační napětí na něj působí na velmi krátké dráze při průchodu vstupním modulátorem (buncherem).*) Kdyby tato dráha byla prodloužena pouhým zvětšením mezery, nezlepší se podstatně poměry, neboť když se doba průletu elektronů blíží půlperiodě kmitů, elektrony jsou v této době již zase brzděny a tím se paralysuje jejich zrychlení, získané v modulačním prostoru. Znovu zde vystupují podobné obtíže se setrvačností elektronů, jako u běžných elektronek, jen v pozměněné formě.

Podstatné zlepšení by nastalo, kdyby elektrické pole mohlo působit na letící elektron dlouhou dobu ve stejné fázi, t. j. kdyby se pohybovalo současně s letícími elektrony přibližně stejnou rychlostí. To je základní myšlenka nových, t. zv. vlnových elektronek.**) Souhlasně s elektronovým paprskem se pohybuje přibližně stejnou rychlostí elektromagnetická vlna, která elektronový paprsek hluboce promoduluje, protože letící elektrony jsou proti okamžitým hodnotám elektrického pole v relativním klidu. Tento námět však naráží na to, že rychlost elektromagnetické vlny v prostoru nebo na přímém drátu je značně větší než rychlost elektronů, které i při vysokém anodovém napětí, na př. při 10 000 V, stěží dosahují 1/5 rychlosti volné elektromagnetické vlny. Nesnáz však lze obejít tím, že elmag. vlnu různými způsoby zpožďujeme.

Nejjednodušší způsob podle prvního průkopníka této methody J. R. Pierce je naznačen na obraze 1. Elmag. vlna se pohybuje podél vodiče, stočeného do šroubovice. Elmag. vlnění se sice šíří podél drátu rychlostí 300 000 km/sec., ale uvnitř solenoidu vzniků axiální elektrické pole, jehož rychlost je podstatně menší a závisí na vlastnostech solenoidu.

Mezi touto vlnou a elektronovým paprskem, který probíhá uvnitř elektronky (obraz 2), nastává vzájemná výměna energie: elektrická vlna urychluje elektrony všude tam, kde okamžitý směr pole spadá do směru letu elektronů a tím nastává zhuštění elektronů v paprsku. Zhuštěni náboje však při vhodném poměru rychlostí způsobí indukcí v selenoidu, že se zesílí i vlna. Toto vzájemné ovlivňování elektronového paprsku a elmag. vlny způsobí tedy hustotní modulaci, podobně jako u klystronů; zásadní rozdíl však spočívá v tom, že tato činnost není vázána na malý prostor, nýbrž probíhá podél osy celé elektronky. Na této poměrně dlouhé dráze roste exponenciálně energie vlny a výsledkem je mohutné promodulování elektronového paprsku a značné zesíleni původně přiváděného střídavého napětí.

Obraz 4. Elektronka se dvěma elektronovými svazky o různých rychlostech. H - náběhová šroubovice pro vtiskování elektrického pole na pomalejší elektronový paprsek.

Z podrobného rozboru pochodu vyplývá poznatek, že účinné zesilování nastává ze jména tehdy, je-li rychlost vlny o něco menší než rychlost elektronů. Děj připomíná vítr, který rytmicky vane podél vodního proudu a vzbuzuje na něm postupně rostoucí vlny.

Taková ,,vlnová elektronka“ se uplatní zejména jako zesilovač v oblasti centimetrových vln. Protože vstupní a výstupní obvody jsou přímo připojeny na vstup a výstup solenoidu tak, aby podle možnosti nenastávaly odrazy vln, má elektronka tu důležitou vlastnost, že jeví jenom velmi malou frekvenční závislost, neboť odpadají laděné obvody a resonátory. Z toho vyplývá možnost zpracovat neobyčejně velké šířky pásma. Další velkou výhodou proti klystronu je poměrně malý činitel šumu.

Nové druhy elektronek dosahují zesílení asi 100 až 200 násobného (20 až 30 dB) v pásmu kolem 3500 Mc/s (t. j. kolem 8 cm) při neobyčejné šíři pásma 800 Mc/s. Pro tyto vlastnosti se zdá, že tyto elektronky budou hrát významnou roli zejména u mnohonásobných sdělovacích soustav se směrovanými centimetrovými vlnami, modulovanými impulsově, kde se používá dlouhých reléových řetězů a velkých šířek pásma. Vnější vzhled takové laboratorní elektronky, která vyhlíží zatím dosti fantasticky, znázorňuje obraz 3.

Obraz 5. Elektronka s jediným paprskem o dvou různých rychlostech elektronů. - P1, P2 - vstupní a výstupní prostor. - S - elektroda pro potlačení prostorového náboje v okolí elektronového svazku. - M - cívky pro soustředění elektronového svazku. Obraz 6. Směšovací elektronka pro velmi vysoké kmitočty, založená na uchylování elektronového paprsku. - K - kathoda. - C - soustava pro soustředění elektronového paprsku. - E - elektronový paprsek. - V1, V2 vychylovací elektrody. - H - hradicí člen (drát o průměru 0,1 mm). - B - soustava elektrod k potlačení sekundární emise. - A - anoda elektronky.

V nejnovější obě však vlnové elektronky dostaly soupeře: místo aby se elmag. vína vedla po hmotné šroubovici, zpomaluje se tím, že se vede po dalším elektronovém svazku o menší rychlosti. Lépe řečeno: přiváděným elektrickým polem se vzbudí na dalším pomalejším elektronovém svazku shluky elektronů, které postupují po svazku a mají takové účinky, že je lze považovat za jakousi pomalejší postupnou elmag. vlnu. Oba elektronové paprsky pak na sebe působí podobně jako dříve popsané elmag. pole s elektronovým paprskem, t. j. vzájemným vlivem a výměnou energie mezi paprsky o mírně rozdílné rychlosti dochází k vytvoření stále se zesilující postupné vlny.

U těchto elektronek odpadají potíže s odrazy na konci hmotného vedení a jsou podle názoru navrhovatelů výhodné hlavně proto, že odpadá nutnost, aby elektronové paprsky procházely blízko nějakých hmotných soustav. To je nedocenitelná výhoda při extrémně krátkých vlnách. Šířky pásma tím pochopitelně ještě vzrůstají.

V Bellových laboratořích byla na př. vyrobena elektronka s dvěma elektronovými paprsky o různé rychlosti, jejíž schéma je na obraze 4, a dosahuje se v ní zisku 33 dB (2000násobného zesílení výkonu) při šířce pásma 110 Mc/s v oblasti kmitočtu kolem 250 Mc/s.

Jiná elektronka, vzniklá ve washingtonských výzkumných laboratořích, dává zisk 46 dB (t. j. 40 000) při šířce pásma přes 1000 Mc/s v oblasti kolem 3000 Mc/s a možné theoretické zisky dosahuji až 80 dB (100 000 000 zesílení výkonu).

Další rozvinutí těchto myšlenek představuje nová elektronka, která vychází z principu dvou elektronových svazků, ale nahrazuje je svazkem jediným, v němž elektrony na vnějším obvodu svazku mají větší rychlost než elektrony uvnitř. Toho se dosahuje tím, že se v okolí svazku vhodnými stínicími konstrukcemi redukuje prostorový náboj, takže se vnější elektrony rychleji rozběhnou. Při vhodné úpravě nastanou v tomto paprsku podobné zjevy jako u dvou paprsků o různých rychlostech - vytvoří se postupná vlna s negativním útlumem, nastává zesílení (obraz 5). Všechny uvedené druhy, určené pro zesilování vysokých kmitočtů, mohou ovšem i budit oscilace zavedením vhodné zpětné vazby. K rozkmitání některých typů vlnových elektronek stačí na př. jen malý útlum šroubovice, která pak odvede vlnu, odraženou z konce, zpět na začátek. Účinnost těchto oscilátorů ovšem zatím není příliš velká. Je však zajímavé, že se v některých laboratořích pomýšlí na vybudování pokusných vlnových elektronek o velkých výkonech.

Nejsou to však jen zesilovače a oscilátory, kde přemýšlejí technikové o nových principech. Z dalších důležitých oborů je směšovací technika u superhetů pro velmi vysoké kmitočty, kde zatím vládnou krystalové diody pro svůj malý šum. I tady se vynořují nové konstrukce, na př. směšovací elektronka, jejíž průřez je na obraze 6. Tam se směšují dvě vf střídavá napětí tím, že se jimi odchyluje elektronový paprsek, kterému je postaven do cesty hradicí člen, na př. drát nebo destička. Podle stupně odchýlení paprsku dospěje větší nebo menší množství elektronů na výstupní anodu a tím se mění výstupní proud v závislosti na obou přiváděných vf napětích. Z měření vyplývá, že tak lze dosáhnout poměrně malého šumu a relativně velké konversní strmosti 0,5 mA/V v oblasti velmi vysokých kmitočtů, kolem 1200 Mc/s. - Zdokonaleni těchto principů bylo pak provedeno tím, že se místo obvyklé výstupní anody do elektronky vestavěl násobič elektronů, čím se šumové poměry ještě dále zlepšily.

Z toho přehledu je patrno, že technika ultrakrátkých vln je stále v prudkém vývoji a že se intensivně hledají nové cesty, jek vyřešiti otázku zesilování extrémně vysokých kmitočtů. I staré, osvědčené principy v novém technickém provedení se však hlásí o slovo, jak dokazují nejnovější formy majákových triod, o kterých jsme přinesli zprávu v č. 7/1949. Který ze všech těchto typů definitivně ovládne pole, nedá se dnes bezpečně předvídat, zdá se však, že každý druh si uhájí přednostní postavení v určitém vymezeném technickém oboru. -jt


*) Viz Elektronik č. 8/1949.
**) Technikové, kteří se u nás zabývají tímto zajímavým oborem elektroniky, navrhují pro ně stručný název „permactrony“.



ELEKTRONIK 1/1950